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Radiation Damage in Ice at Low Temperatures Studied by Proton Channelling

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

I. Golecki
Affiliation:
Institut de Physique, Université de Neuchâtel, Rue A.-L. Breguet 1, CH-2000 Neuchâtel, Switzerland
C. Jaccard
Affiliation:
Institut de Physique, Université de Neuchâtel, Rue A.-L. Breguet 1, CH-2000 Neuchâtel, Switzerland
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Abstract

100 keV protons with fluxes between 3 × 1015 and 3 × 1016 m-2 s-1 and in doses up to 4 × 1020 m-2 have been used in ice between - 191°C and -87°C to create damage and to analyse it. The Rutherford backscattering minimum yield along the c-axis (about 0.05 in good monocrystals) increases up to unity with the dose, according to a function which can be scaled by a critical dose depending mainly on temperature (Arrhenius law with activation enthalpy of 0.17 ± 0.04 eV above -185°C). Higher flux produces more damage above -180°C, but less below. A beam in a random direction is more efficient below - 180°C, but less at higher temperature than an aligned beam. Beam-induced reordering is observed at definite temperatures and doses. The damage is shown to be due to energy loss by electronic excitations, which decay and produce disordered molecule clusters, mainly by incoherent aggregation of vacancies and interstitials.

Résumé

Résumé

Des protons de 100 keV avec des flux compris entre 3 × 1015 et 3 × 1016 m-2 s-1 et des doses jusqu'à 4 × 1020 m-2 ont été utilisés dans la glace entre - 191°C and -87°C pour créer des dégâts et les analyser Le rendement minimum de rétrodiffusion de Rutherford le long de l'axe c (environ 0,05 dans de bons monocristaux) augmente jusqu'à l’ unité avec la dose, selon une fonction faisant intervenir comme paramètre une dose critique dépendant surtout de la température (loi d'Arrhenius avec une enthalpie d'activation de 0,17 ± 0,04 au dessus de-185°C). Un flux plus élevé produit plus de dégâts au-dessus de - 180°C, mais moins au-dessous. Un faisceau dans une direction aléatoire est plus efficace au-dessous de - 180°C, mais l’est moins à des températures supérieures qu'un faisceau aligné. Une réordination induite par le faisceau est observée à des températures et doses bien définies. On montre que les dégâts sont dus aux pertes d'énergie par excitation électronique, donnant lieu à des domaines désordonnés produits surtout par l'agrégation de lacunes et d’interstitiels.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

100 keV Protonen mit Flüssen zwischen 3 × 1015 und 3 × 1016 m-2 s-1 und Dosen bis 4 × 1020 m-2 wurden in Eis zwischen - 191°C und -87°C benützt, um Strahlungsschäden zu erzeugen und zu analysieren. Das minimale Rutherfordsche Rückstreuungsvermögen entlang der c-Achse (etwa 0,05 in guten Einkristallen) nimmt mit der Dose zu (bis 1, 0), gemäss einer Funktion, die als Parameter eine kritische Dose enthält, welche hauptsächlich von der Temperatur abhängt (Arrhenius Gesetz mit 0,17 ± 0,04 eV Aktivierungsenthalpie oberhalb -185°C). Ein höherer Fluss erzeugt mehr Schäden oberhalb -180°C, aber weniger unterhalb dieser Temperatur. Ein Strahl mit Zufallsrichtung ist unter -180°C wirksamer als ein gerichteter Strahl, aber weniger bei höheren Temperaturen. Eine vom Strahl induzierte Unordnung wird bei wohl bestimmten Dosen und Temperaturen beobachtet. Die Sächden rühren von dem durch elektronische Anregunge, verursachten Energie-Verlust her. Sie bestehen eus ungeordneten Bezirken, welche hauptsädchlich durch Agregation von Leerstellen und Zwischengittermolekülen entstehen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1.Angular dependence of the channelling yield along the c-axis in ice. The solid curve was measured on a freshly cleaned surface at —140°C (fwhm = 2°). The dashed curve was measured at —151°C on an area previously irradiated with 0.8H+/channel in the random direction at -180°C (fwhm = 2 × 0.9°). In both cases the scattering zone beneath the surface was 40 nm thick.

Figure 1

Fig. 2.Dose dependence of minimum yield in ice for aligned irradiations, measured in a 40 nm thick layer beneath the surface. 1 H+/channel = 5.71014H+/cm2.

Figure 2

Fig. 3.Reduced representation of the dose dependence of the minimum yield in ice, where D1/2 D (χ = 0.5) and J, denote a proton flux of 3 × 1012 and 3 × 1011 H+/cm2s, respectively. The curves have been smoothed for clarity.

Figure 3

Fig.4.Température dependence of the maximum slope of the damage curves. Crosses refer to high proton flux, solid circles to low proton flux.